JP3565061B2

JP3565061B2 - Dry etching equipment

Info

Publication number: JP3565061B2
Application number: JP34254498A
Authority: JP
Inventors: 勝伊澤; 賢悦横川; 直行小藤; 伸幸根岸
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP2000173990A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマによる半導体基板の微細加工を行う方法および装置に係り、特に基板にダメージを与えることが少なく、微細電極、配線およびコンタクトホールの形成を高精度に行うのに好適なドライエッチング方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造過程において、ウエハ上に形成されたポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）やＡｌ：Ｃｕ合金等の薄膜は、ドライエッチングにより微細加工され、ゲート電極やメタル配線を形成する。ウエハ上に形成されたトランジスタとメタル配線間あるいはメタル配線とメタル配線間の電気的な接続においては、トランジスタ素子の上あるいは配線間に形成された絶縁膜（ＳｉＯ_２を主成分とする薄膜、以下単に酸化膜と呼ぶ）に、ドライエッチングによりコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に電気伝導体を充填している。
【０００３】
上記ドライエッチングは、エッチングガスを真空容器であるドライエッチング装置に導入し、高周波バイアスもしくはマイクロ（μ）波を印加し、プラズマを発生させ、プラズマ中で生成した活性種およびイオンによって行われる。ウエハには電極、配線もしくはホールパターンを転写したレジスト薄膜等のマスクが酸化膜上に形成されている。ドライエッチングでは、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、Ａｌ：Ｃｕ合金膜、酸化膜等をマスクや下地に対し選択的に加工し、所望の加工形状を形成している。
【０００４】
ところで近年では、半導体装置の集積度、処理能力および生産性向上のため、パターンの微細化および処理ウエハの大口径化（直径３００ｍｍ）が進められている。ウエハの大口径化に対応するためには、ドライエッチング装置内に発生するプラズマが均一であること、生産性を高めるためには、プラズマ密度が１０^１１／ｃｍ^３以上にできること、加工形状制御性を上げるためには、ガス圧力０．１Ｐａから４Ｐａで安定したプラズマが形成できること等が要求されている。すなわち、大口径で均一かつ密度が高いプラズマを低ガス圧力で発生させる必要がある。
【０００５】
上記ウエハの大口径化とならんで、半導体装置のいっそうの微細化も進められている。近年、加工スケールは０．１μｍオーダーになり、半導体装置の低電圧動作のため、ゲート酸化膜の膜厚が４ｎｍ以下になってきた。このため、１つのゲートに対するチップ面積が大きくなり、プラズマに曝された場合、プラズマの均一性が十分でないとゲート酸化膜に印加される電圧が、微細化に伴い高くなる。さらに、薄膜化に伴い、ゲート酸化膜の耐圧が低くなってきた。すなわち、プラズマが十分に均一でなければ、ゲート酸化膜に高電圧が印加され、トランジスタ構造が破壊されてしまう。このような理由で、大口径ウエハへの微細加工では、従来に比べプラズマ密度（より正確にはウエハ上のイオン電流密度）の十分な均一性が要求されている。
【０００６】
この要求に対し、平行平板型、誘導結合型および有磁場マイクロ波型のエッチング装置で対応する場合、いずれの場合も、ガス圧力、ガス流量、膜質等のプロセス条件によりプラズマ密度の均一性が若干変動する。このため、プロセス条件ごとに装置の組み替えやアンテナ電流やコイル電流の微調整が必要となる。特に薄膜が数層ある積層膜のエッチングの場合、膜ごとにエッチング条件が変動するため、プラズマの均一性の制御が難しくなる。
【０００７】
さらに、有磁場マイクロ波エッチング装置では、大口径ウエハに対応するためには、マイクロ波の波長を長くする必要がある。プラズマを発生させるために導入する高周波の周波数をマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）からＵＨＦ帯（３００ＭＨｚから９００ＭＨｚ）にすることにより、波長が３００ｍｍ以上になるため、比較的均一なプラズマが得られる可能性がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置で、安定かつ密度が１０^１１／ｃｍ^３以上であるプラズマを生成し、プロセスのわずかな変動によるプラズマの不均一が発生しても、ウエハ径が３００ｍｍ以上でもウエハ面内で均一かつ低ダメージにｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ：Ｃｕ膜および酸化膜等を加工できる装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ウエハがプラズマに曝されるとウエハ上には、シースが形成される。イオンはこのシース両端（ウエハ側とプラズマ側）の電位差（以後この電位差をシース間電圧と呼ぶ）によって加速され、ウエハに入射する。この加速イオンにより、ウエハ上の薄膜が異方的にエッチングされる。シース間電圧は、プラズマ電位、ウエハに印加される高周波（ＲＦ）バイアスのパワーおよびイオン電流密度によって決まる。
【００１０】
イオン電流密度が高いとシースのインピーダンスが小さくなるため、同じＲＦパワーでも、シース間電圧は、イオン電流密度の高い方が小さくなる。したがって、ウエハ上でイオン電流密度に分布があると、シース間電圧に分布が生じることになる。ウエハ上の構造物がウエハの基板部のＳｉと電気的に絶縁されている場合（例えば、電界効果トランジスタのゲート電極の加工）、シース間電圧に分布があると、基板のＳｉ部分の電位は、ウエハ上の平均的なシース間電圧で決まるが、ウエハ上の構造物の電位は、局所的なシース間電圧で決まる。この結果、ウエハ上の構造物とウエハ間に電位差が生じ、電位差がゲート破壊電位を超えると半導体装置の絶縁膜が破壊される（ダメージをうける）のである。
【００１１】
このように、イオン電流密度にウエハ面内分布があると、シース間電圧に分布が発生し、半導体装置にダメージを与える。そこで従来は、上記ダメージを低減する方法として、イオン電流密度を均一にすることが探求されてきた。しかしながら、イオン電流密度（プラズマ密度）の分布が、被エッチング膜の膜質およびエッチングガス種等によって微妙に変化することから、イオン電流密度の均一化だけでは半導体装置の微細化に対応できなくなってきた。例えば、多層膜のエッチング途中で条件を変更するような従来方法によるプロセスでは対応がより難しくなる。
【００１２】
ダメージの発生は、シース間電圧の分布によって発生するので、シース間電圧の分布をうち消すように高周波（ＲＦ）バイアスを制御すればよい。シース間電圧の時間平均は、概ねＲＦバイアスとプラズマによって発生する直流成分Ｖｄｃになる。しかしながら、通常のエッチング装置では、シース間電圧の分布を直接モニターすることが難しく、制御方法の確立が難しい。
【００１３】
これに対し、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置では、ウエハにほぼ垂直方向に磁力線があり、電子電流が磁力線方向に制約されるため、シース間電位やイオン電流密度に対応する情報がウエハの対向面のアンテナ部で得られる性質がある。
【００１４】
本発明は上記の性質を利用し、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置において、エッチング中にシース間電位をモニタする電極をアンテナ部に設け、この電極の電位を基に、シース間電圧が均一になるようにウエハに印加するバイアスパワーの分布を制御することを特徴とする。具体的には、アンテナ面上のＶｄｃの分布を測定し、平均より高い場合はアンテナの対向部のウエハ位置のバイアスを小さくし、低い場合には高くすることによってウエハ上のＶｄｃが均一になるように制御する。
【００１５】
ウエハ上で受けるイオンのエネルギーはＶｄｃにほぼ比例するので、エッチング速度が不均一になることはない。この手段により、シース間電圧のウエハ面内ばらつきがなくなるので、プロセス条件によってイオン電流密度の均一性が変化しても、半導体装置にダメージを与えることなく薄膜の加工が行える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に用いるドライエッチング装置を図１に示す。この装置では、エッチングガスをアンテナ２２に設けられたシャワープレートよりエッチング処理室１に導入し、ＵＨＦ波電源１１において２００ＭＨｚから１．２ＧＨｚの間のＵＨＦ波を発生させ、このＵＨＦ波を金属アンテナ２２に伝搬し、アンテナ誘電体１３を介してエッチング処理室１に輸送してガスプラズマを発生させる。エッチング処理室周辺に設置された磁場発生用の３つのソレノイドコイル１８、１９、２０によって、１００から３３０ガウスの間の磁場がエッチング処理室１内のシャワープレート（アンテナ）２２の１０ｍｍから３０ｍｍ下にくるようにコイル電流を制御し、プラズマを発生させる。ソレノイドコイルの導線の巻き数は、それぞれ１２００ターンである。
【００１７】
処理台２上に被処理物３を設置して、ガスプラズマによりエッチング処理する。エッチングガスは、ガス流量制御装置８を通してエッチング処理室１に導入され、排気用バルブ１７を通して真空ポンプ（図示せず）によりエッチング処理室１の外に排気される。
【００１８】
被処理物を設置する処理台２は高周波電源５を備え、４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚまでの高周波バイアスを印加きる。処理台２は、処理台の対向面（アンテナ２２）から装置の許す範囲内で任意の距離で固定することができる。
【００１９】
アンテナ２２の直径は約３３０ｍｍで、アンテナ上部には、厚さ約２０ｍｍのアンテナ誘電体（アルミナ）１３、その上部には、磁性体ではない金属で形成されアースに接地されたエッチング装置の外周部１５がある。アンテナ２２はシャワープレートでもあり、図４に示すように、シリコン板４０２とアルミ板４０１のはり合わせ構造で、真空処理室側の材質がシリコン４０２である。
【００２０】
アンテナ２２のシリコン板４０２の裏面は、図２に示す構造となっている。シリコン板２０１上には、直径１ｍｍのシャワーホール２０３と高濃度（約１０^１８個／ｃｍ^３）にリンドープされた直径５ｍｍの電極２０２がある。電極２０２は径方向に十字に配置され、シャワーホールは、電極を避けるようにほぼ全面に均等に配置されている。
【００２１】
上記電極部は図３に示すアルミ板３０１の電極３０２に接続されている。さらに電極３０２は配線３０４を経てパッド３０５に接続される。
【００２２】
パッド３０５は、図４に示すようにＵＨＦ波導入の同軸芯線４０４内部に設置された信号線４０５に接続される。上記芯線４０４は整合器１０の手前でコイル２４に分岐し、芯線４０４内部の信号線４０５は、コイル２４を経て外部に取り出され（図１の信号線２５）、バイアス制御用コンピュータ２６に接続され、バイアスコントローラ２７の内部に設置された可変コンデンサを制御できるようになっている。
【００２３】
この装置に、被処理物として１２インチシリコンウエハ３を搬送する。このシリコンウエハ３上には、ゲート長１００ｎｍ、ゲート酸化膜の膜厚が約３ｎｍである電界効果トランジスタが形成され、その上に厚さ０．５μｍの有機ガラス膜（ＳＯＧ）および１．０μｍの酸化膜が積層され、その上部にはマスクパターンを転写したレジストマスクが形成されている。レジストマスクには、１５０ｎｍ径のホールがゲート電極上に形成されている。すなわち、エッチングストップ層はゲート電極（多結晶Ｓｉ）である。
【００２４】
この装置に、Ａｒガスを３００ｓｃｃｍ、Ｃ_４Ｆ_８ガスを１２ｓｃｃｍ、酸素ガスを２ｓｃｃｍガス、ＣＯガス１５０ｓｃｃｍをアンテナ２２のシャワープレート（シャワーホールの総称）より処理室に導入し、ガス圧力を２Ｐａにする。４５０ＭＨｚ、２ｋＷの高周波をアンテナ２２よりエッチング処理室１に導入し、ガスプラズマを生成する。コイル１８については７Ａ、コイル１９については２Ａ、コイル２０は１Ａのコイル電流を流す。
【００２５】
イオン電流の分布は、ウエハ周辺で約６．０ｍＡ／ｃｍ^２、中心で約６．２ｍＡ／ｃｍ^２となる。処理台に２ＭＨｚ、２．４ｋＷのバイアスを印加し、有機ガラス膜および酸化膜をエッチングする。プラズマ密度は、５×１０^１１／ｃｍ^３程度である。酸化膜のエッチング速度は約７００ｎｍ／ｍｉｎである。
【００２６】
エッチング開始から約９０秒後、被エッチング膜が酸化膜から有機ガラス膜に変わるので、ガス流量をＡｒを５００ｓｃｃｍ、Ｃ_４Ｆ_８ガスを１２ｓｃｃｍ、酸素ガスを１０ｓｃｃｍ、ＣＯガスを０ｓｃｃｍに切り替える。この時のイオン電流密度は、ウエハ周辺で約６．２ｍＡ／ｃｍ^２、中心で約５．８ｍＡ／ｃｍ^２となる。有機ガラス膜のエッチング速度は約５００ｎｍ／ｍｉｎである。
【００２７】
バイアスを均一に印加する場合、ウエハ周辺と中心部でイオン電流密度に差が生じる。この結果、印加バイアスのＶｄｃもウエハ面内で分布をもつ（ばらつく）。Ｖｄｃの測定装置をウエハ上に設け、エッチングと同じ条件で測定すると、酸化膜エッチングの条件では、Ｖｄｃが中心で約５００Ｖであるのに対し、周辺部では、約５２０Ｖとなる。一方、有機ＳＯＧ膜のエッチング条件では、Ｖｄｃは中心で約５３０Ｖであるのに対し、周辺部で約５００Ｖとなる。この結果、ウエハ中心部と周辺部で電位差が生じ、トランジスタの約１５％にダメージが発生する。
【００２８】
図４のアンテナでＶｄｃを測定すると、酸化膜エッチングの条件では、アンテナ周辺部のＶｄｃが約５０Ｖ、中心部が約５２Ｖ、有機ガラス膜のエッチングでは、中心部で約５３Ｖ、周辺部で約５０Ｖとなり、ウエハ上のＶｄｃの約１／１０となる。ウエハに比べＶｄｃが小さいのは、直接バイアスが印加されていないこと、表面がＳｉであるため、アンテナ面内でＶｄｃが若干均一化されることによる。
【００２９】
図１のバイアスコントローラ２７を用い、アンテナ部のＶｄｃを測定しながら、バイアスパワーのウエハ面内分布をコントロールしてエッチングを行う。ウエハバイアスは、アンテナでのＶｄｃが均一になるようにＲＦバイアスを制御する。酸化膜エッチング時は、ウエハ周辺のバイアスのピークトゥピーク電位（Ｖｐｐ）を中心部より８０Ｖ高くすることにより、アンテナでのＶｄｃが均一になり、有機ガラスエッチング時は、中心部を周辺部よりＶｐｐを１００Ｖ高くすることによりほぼ均一になる。ここで、通常、ＶｐｐはＶｄｃの２から３倍程度である。
【００３０】
バイアスをアンテナＶｄｃにより自動コントロールする場合、常にウエハ上のＶｄｃがほぼ均一になるため、電位差が生じず、トランジスタへのダメージは見られない。
【００３１】
同様な効果は、酸化膜の他、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、Ａｌ：Ｃｕ：Ｓｉ膜、Ｗ膜、ＷＮ膜および窒化ケイ素膜でも得られる。特に、ＳｉとＷの積層膜、Ａｌ：Ｃｕ膜とＴｉＮ膜の積層膜でも同様な効果が得られる。ウエハ径も１２インチに限らず、８インチおよび１６インチでも同様な効果が得られる。アンテナに印加するＵＨＦ波の周波数を４５０ＭＨｚから９００ＭＨｚにし、３２０ガウスの等磁場面を同様に変調制御しても同様な効果が得られる。アンテナへの周波数が１ＧＨｚ以上では、電磁波の伝播モードによる節が現れ、均一な加工が難しくなる。他方、アンテナへの印加周波数を、３００ＭＨｚまで小さくしても同様な効果が得られるが、さらに２００ＭＨｚまで小さくするとプラズマ生成効率が低下し、十分な密度が得られなくなる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明により、有磁場ＵＨＦ波エッチング装置において、アンテナ部のＶｄｃ測定をエッチング進行中に行い、Ｖｄｃの分布が均一になるようにウエハバイアスを制御することにより、トランジスタに電気的なダメージを与えることなく微細加工が行えるようになる。本発明のアンテナ構造と制御方法をもつエッチング装置を用いることにより、プロセス条件の変動があってもトランジスタにダメージを与えることなく半導体装置の微細パターンの加工を行えるので、より集積度の高い半導体装置の大量生産が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のドライエッチング装置の断面図。
【図２】本発明の一実施例の装置で用いるシリコンシャワープレートの構造を示す平面図。
【図３】本発明の一実施例の装置で用いるアンテナのアルミ板の裏面構造を示す平面図。
【図４】本発明の一実施例の装置で用いるアンテナの縦断面図。
【符号の説明】
１…エッチング処理室、２…ウエハ処理台、３…被処理物（ウエハ）、４…サセプタ、５…処理台に接続する高周波電源、７…コンダクタンスバルブ、８…ガス流量コントローラ、１０…ＵＨＦ波整合器、１１…ＵＨＦ電源、１３…アンテナ誘電体、１７…排気用ゲートバルブ、１６…ウエハ搬送用ゲートバルブ、１８…第１のソレノイドコイル、１９…第２のソレノイドコイル、２０…第３のソレノイドコイル、２１…ヨーク、２２…シャワープレート付きアンテナ、２３…ＳｉＣ焼結材、２４…ＵＨＦ波遮断用コイル、２５…Ｖｄｃ測定電極接続用信号線、２６…バイアス制御用コンピュータ、２７…バイアスコントローラ、２８…多分割電極、２０１…アンテナシリコン板、２０２…リンを高濃度にドープした電極、２０３…ガス導入用シャワーホール、３０１…アンテナアルミ板、３０２…電極、３０３…アルミ板に埋め込まれたアルミ板の半分の厚さの基板、３０４…アルミ配線、４０１…アンテナアルミ板、４０２…アンテナシリコン板、４０４…ＵＨＦ波導入部の芯線、４０５…Ｖｄｃ測定電極接続用信号線。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for performing fine processing of a semiconductor substrate by plasma, and particularly to a dry etching method suitable for performing formation of fine electrodes, wirings and contact holes with high accuracy without damaging the substrate. And equipment.
[0002]
[Prior art]
In a manufacturing process of a semiconductor device, a thin film such as polysilicon (poly-Si) or an Al: Cu alloy formed on a wafer is finely processed by dry etching to form a gate electrode and a metal wiring. In the electrical connection between a transistor and a metal wiring or between a metal wiring and a metal wiring formed on a wafer, an insulating film (a thin film containing SiO ₂ as a main component, hereinafter A contact hole is formed by dry etching in the oxide film), and the contact hole is filled with an electric conductor.
[0003]
The dry etching is performed by introducing an etching gas into a dry etching apparatus which is a vacuum vessel, applying a high frequency bias or a micro (μ) wave, generating plasma, and using active species and ions generated in the plasma. On the wafer, a mask such as a resist thin film to which an electrode, wiring, or hole pattern is transferred is formed on the oxide film. In dry etching, a desired processed shape is formed by selectively processing a Poly-Si film, an Al: Cu alloy film, an oxide film, and the like on a mask and a base.
[0004]
In recent years, in order to improve the degree of integration, processing capability, and productivity of semiconductor devices, finer patterns and larger diameters (300 mm in diameter) of processed wafers have been promoted. In order to cope with an increase in the diameter of the wafer, the plasma generated in the dry etching apparatus must be uniform. In order to increase the productivity, the plasma density can be increased to 10 ¹¹ / cm ³ or more. In order to increase the pressure, it is required that stable plasma can be formed at a gas pressure of 0.1 Pa to 4 Pa. That is, it is necessary to generate a large-diameter, uniform and high-density plasma at a low gas pressure.
[0005]
Along with the increase in the diameter of the wafer, further miniaturization of the semiconductor device has been promoted. In recent years, the processing scale has become on the order of 0.1 μm, and the thickness of the gate oxide film has become 4 nm or less due to the low voltage operation of the semiconductor device. For this reason, when the chip area for one gate increases and the substrate is exposed to plasma, if the uniformity of the plasma is not sufficient, the voltage applied to the gate oxide film increases with miniaturization. Further, with the reduction in thickness, the breakdown voltage of the gate oxide film has been reduced. That is, if the plasma is not sufficiently uniform, a high voltage is applied to the gate oxide film, and the transistor structure is destroyed. For this reason, in the microfabrication of a large-diameter wafer, sufficient uniformity of the plasma density (more precisely, the ion current density on the wafer) is required as compared with the related art.
[0006]
In order to meet this demand with parallel plate type, inductive coupling type and magnetic field type microwave type etching equipment, in any case, the uniformity of the plasma density depends on the process conditions such as gas pressure, gas flow rate and film quality. fluctuate. For this reason, it is necessary to rearrange the devices and fine-tune the antenna current and coil current for each process condition. In particular, in the case of etching a stacked film having several thin films, it is difficult to control the uniformity of plasma because the etching conditions vary for each film.
[0007]
Further, in the magnetic field microwave etching apparatus, it is necessary to increase the wavelength of the microwave in order to cope with a large-diameter wafer. By changing the frequency of the high-frequency wave introduced for generating plasma from microwave (2.45 GHz) to UHF band (300 MHz to 900 MHz), the wavelength becomes 300 mm or more, so that relatively uniform plasma may be obtained. There is.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is that a magnetic field UHF wave etching apparatus generates a stable plasma having a density of 10 ¹¹ / cm ³ or more, and even if a non-uniform plasma occurs due to a slight variation in the process. It is another object of the present invention to provide an apparatus capable of processing a poly-Si, Al: Cu film, an oxide film, and the like uniformly and with low damage on a wafer surface even when the wafer diameter is 300 mm or more.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
When the wafer is exposed to the plasma, a sheath is formed on the wafer. The ions are accelerated by a potential difference between both ends of the sheath (the wafer side and the plasma side) (hereinafter, this potential difference is referred to as a voltage between the sheaths) and is incident on the wafer. The thin film on the wafer is anisotropically etched by the accelerated ions. The sheath-to-sheath voltage is determined by the plasma potential, the power of the radio frequency (RF) bias applied to the wafer, and the ion current density.
[0010]
If the ion current density is high, the impedance of the sheath becomes small. Therefore, even with the same RF power, the voltage between the sheaths becomes smaller when the ion current density is higher. Therefore, if there is a distribution in the ion current density on the wafer, a distribution will occur in the voltage between the sheaths. When a structure on a wafer is electrically insulated from Si on a substrate portion of the wafer (for example, processing of a gate electrode of a field effect transistor), if there is a distribution in the voltage between sheaths, the potential of the Si portion on the substrate becomes , The potential of the structure on the wafer is determined by the local voltage between the sheaths. As a result, a potential difference occurs between the structure on the wafer and the wafer, and if the potential difference exceeds the gate breakdown potential, the insulating film of the semiconductor device is broken (damaged).
[0011]
As described above, if the ion current density has a distribution in the wafer surface, a distribution occurs between the sheath voltages, and the semiconductor device is damaged. Therefore, conventionally, as a method of reducing the damage, it has been sought to make the ion current density uniform. However, since the distribution of the ion current density (plasma density) changes subtly depending on the film quality of the film to be etched, the type of etching gas, and the like, it has become impossible to cope with miniaturization of a semiconductor device only by making the ion current density uniform. . For example, it is more difficult to cope with a process using a conventional method in which conditions are changed during the etching of a multilayer film.
[0012]
Since the damage is generated by the distribution of the voltage between the sheaths, the high frequency (RF) bias may be controlled so as to cancel the distribution of the voltage between the sheaths. The time average of the sheath-to-sheath voltage is approximately the DC component Vdc generated by the RF bias and the plasma. However, it is difficult to directly monitor the distribution of the voltage between sheaths with a normal etching apparatus, and it is difficult to establish a control method.
[0013]
On the other hand, in a magnetic field UHF wave etching apparatus, magnetic force lines are almost perpendicular to the wafer, and the electron current is restricted in the magnetic force line direction. Therefore, information corresponding to the potential between the sheath and the ion current density is recorded on the facing surface of the wafer. There is a property that can be obtained in the antenna section.
[0014]
The present invention utilizes the above properties, and in the magnetic field UHF wave etching apparatus, an electrode for monitoring the potential between the sheaths during etching is provided in the antenna unit, and the voltage between the sheaths is made uniform based on the potential of the electrodes. And controlling the distribution of bias power applied to the wafer. More specifically, the distribution of Vdc on the antenna surface is measured, and if it is higher than the average, the bias at the wafer position at the opposite part of the antenna is made small, and if it is low, the Vdc on the wafer is made uniform. Control.
[0015]
Since the energy of ions received on the wafer is almost proportional to Vdc, the etching rate does not become non-uniform. By this means, variations in the inter-sheath voltage within the wafer surface are eliminated, so that the thin film can be processed without damaging the semiconductor device even if the uniformity of the ion current density changes depending on the process conditions.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a dry etching apparatus used in the present invention. In this apparatus, an etching gas is introduced into an etching chamber 1 from a shower plate provided on an antenna 22, and a UHF wave power source 11 generates a UHF wave between 200 MHz and 1.2 GHz. And transported to the etching chamber 1 via the antenna dielectric 13 to generate gas plasma. The three solenoid coils 18, 19, and 20 for generating a magnetic field installed around the etching chamber cause a magnetic field of 100 to 330 gauss to be 10 mm to 30 mm below the shower plate (antenna) 22 in the etching chamber 1. The coil current is controlled to generate plasma. The number of turns of the conductive wire of the solenoid coil is 1200 turns.
[0017]
The object 3 is placed on the processing table 2 and is etched by gas plasma. The etching gas is introduced into the etching chamber 1 through the gas flow control device 8, and is exhausted out of the etching chamber 1 through the exhaust valve 17 by a vacuum pump (not shown).
[0018]
The processing table 2 on which the object to be processed is installed has a high-frequency power supply 5 and can apply a high-frequency bias from 400 kHz to 13.56 MHz. The processing table 2 can be fixed at an arbitrary distance from the opposing surface (antenna 22) of the processing table within a range permitted by the apparatus.
[0019]
The antenna 22 has a diameter of about 330 mm, an antenna dielectric (alumina) 13 having a thickness of about 20 mm on the upper part of the antenna, and an outer peripheral portion of an etching apparatus formed of a non-magnetic metal and grounded on the upper part thereof. There are fifteen. The antenna 22 is also a shower plate. As shown in FIG. 4, the silicon plate 402 and the aluminum plate 401 are bonded together, and the material of the vacuum processing chamber side is silicon 402.
[0020]
The back surface of the silicon plate 402 of the antenna 22 has a structure shown in FIG. On the silicon plate 201, there are a shower hole 203 having a diameter of 1 mm and an electrode 202 having a diameter of 5 mm doped with phosphorus at a high concentration (about 10 ¹⁸ / cm ³ ). The electrodes 202 are arranged in a cross in the radial direction, and the shower holes are arranged evenly over substantially the entire surface so as to avoid the electrodes.
[0021]
The electrode section is connected to the electrode 302 of the aluminum plate 301 shown in FIG. Further, the electrode 302 is connected to the pad 305 via the wiring 304.
[0022]
The pad 305 is connected to a signal line 405 provided inside the coaxial core wire 404 for introducing UHF waves as shown in FIG. The core wire 404 branches into the coil 24 before the matching unit 10, and the signal line 405 inside the core wire 404 is taken out through the coil 24 (the signal line 25 in FIG. 1) and connected to the bias control computer 26. , The variable capacitor installed inside the bias controller 27 can be controlled.
[0023]
A 12-inch silicon wafer 3 is transferred to this apparatus as a processing object. A field-effect transistor having a gate length of 100 nm and a gate oxide film thickness of about 3 nm is formed on the silicon wafer 3, and a 0.5 μm thick organic glass film (SOG) and a 1.0 μm thick An oxide film is laminated, and a resist mask on which a mask pattern is transferred is formed on the oxide film. In the resist mask, a hole having a diameter of 150 nm is formed on the gate electrode. That is, the etching stop layer is a gate electrode (polycrystalline Si).
[0024]
Into this apparatus, 300 sccm of Ar gas, 12 sccm of C ₄ F ₈ gas, 2 sccm of oxygen gas, and 150 sccm of CO gas are introduced into the processing chamber from a shower plate (shower hole) of the antenna 22, and the gas pressure is adjusted to 2 Pa. I do. A high frequency of 450 MHz and 2 kW is introduced into the etching chamber 1 from the antenna 22 to generate gas plasma. A coil current of 7 A flows through the coil 18, a current of 2 A flows through the coil 19, and a coil current of 1 A flows through the coil 20.
[0025]
Distribution of the ion current of about 6.0 mA / cm ² at the wafer periphery is about 6.2 mA / cm ² at the center. A bias of 2 MHz and 2.4 kW is applied to the processing table to etch the organic glass film and the oxide film. The plasma density is about 5 × 10 ¹¹ / cm ³ . The etching rate of the oxide film is about 700 nm / min.
[0026]
About 90 seconds after the start of etching, the film to be etched changes from an oxide film to an organic glass film. Therefore, the gas flow rate is switched to 500 sccm for Ar, 12 sccm for C ₄ F ₈ gas, 10 sccm for oxygen gas, and 0 sccm for CO gas. Ion current density at this time, about 6.2 mA / cm ² at the wafer periphery is about 5.8 mA / cm ² at the center. The etching rate of the organic glass film is about 500 nm / min.
[0027]
When the bias is applied uniformly, a difference occurs in the ion current density between the periphery and the center of the wafer. As a result, the applied bias Vdc also has a distribution (varies) in the wafer plane. When a device for measuring Vdc is provided on a wafer and measured under the same conditions as those for etching, under the conditions of oxide film etching, Vdc is approximately 500 V at the center and approximately 520 V at the peripheral portion. On the other hand, under the etching conditions for the organic SOG film, Vdc is about 530 V at the center, and is about 500 V at the periphery. As a result, a potential difference occurs between the central portion and the peripheral portion of the wafer, and about 15% of the transistors are damaged.
[0028]
When Vdc is measured with the antenna of FIG. 4, under the condition of oxide film etching, Vdc at the periphery of the antenna is about 50 V, about 52 V at the center, and about 53 V at the center and about 50 V at the periphery in the etching of the organic glass film. And about 1/10 of Vdc on the wafer. The reason why Vdc is smaller than that of the wafer is that no direct bias is applied and Vdc is slightly uniformed in the antenna surface because the surface is made of Si.
[0029]
Using the bias controller 27 shown in FIG. 1, etching is performed while controlling the distribution of bias power in the wafer surface while measuring Vdc of the antenna section. The wafer bias controls the RF bias so that Vdc at the antenna becomes uniform. At the time of etching the oxide film, the peak-to-peak potential (Vpp) of the bias at the periphery of the wafer is made 80 V higher than the center, so that Vdc at the antenna becomes uniform. Is made substantially uniform by increasing the voltage by 100V. Here, Vpp is usually about 2 to 3 times Vdc.
[0030]
When the bias is automatically controlled by the antenna Vdc, Vdc on the wafer is always substantially uniform, so that no potential difference occurs and no damage to the transistor is observed.
[0031]
Similar effects can be obtained with a poly-Si film, an Al: Cu: Si film, a W film, a WN film, and a silicon nitride film, in addition to an oxide film. In particular, a similar effect can be obtained with a stacked film of Si and W, or a stacked film of an Al: Cu film and a TiN film. The same effect can be obtained even when the wafer diameter is not limited to 12 inches and is 8 inches and 16 inches. The same effect can be obtained by changing the frequency of the UHF wave applied to the antenna from 450 MHz to 900 MHz and performing modulation control on the 320 gauss isomagnetic field in the same manner. If the frequency to the antenna is 1 GHz or more, nodes due to the propagation mode of the electromagnetic wave appear, making uniform processing difficult. On the other hand, the same effect can be obtained even when the frequency applied to the antenna is reduced to 300 MHz. However, when the frequency is further reduced to 200 MHz, the plasma generation efficiency decreases, and a sufficient density cannot be obtained.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a magnetic field UHF etching apparatus, Vdc measurement of an antenna unit is performed during etching, and a wafer bias is controlled so that the distribution of Vdc becomes uniform, thereby causing electrical damage to transistors. Without the need for fine processing. By using the etching apparatus having the antenna structure and the control method of the present invention, a fine pattern of a semiconductor device can be processed without damaging a transistor even if there is a change in process conditions. Mass production becomes easier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a dry etching apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing the structure of a silicon shower plate used in the apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing the back surface structure of the aluminum plate of the antenna used in the device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an antenna used in the device according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Etching processing chamber, 2 ... Wafer processing table, 3 ... Processing object (wafer), 4 ... Susceptor, 5 ... High frequency power supply connected to a processing table, 7 ... Conductance valve, 8 ... Gas flow controller, 10 ... UHF wave Matching device, 11 UHF power supply, 13 Antenna dielectric, 17 Gate valve for exhaust, 16 Gate valve for wafer transfer, 18 First solenoid coil, 19 Second solenoid coil, 20 Third Solenoid coil, 21 ... Yoke, 22 ... Antenna with shower plate, 23 ... Sintered SiC material, 24 ... UHF wave blocking coil, 25 ... Vdc measurement electrode connection signal line, 26 ... Bias control computer, 27 ... Bias controller , 28: Multi-divided electrode, 201: Antenna silicon plate, 202: Electrode doped with phosphorus at a high concentration, 203: Gas introduction Shower hole, 301: Antenna aluminum plate, 302: Electrode, 303: Substrate of half thickness of aluminum plate embedded in aluminum plate, 304: Aluminum wiring, 401: Antenna aluminum plate, 402: Antenna silicon plate, 404 ... A core wire of the UHF wave introduction part, 405... Vdc measurement electrode connection signal line.

Claims

真空処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入する手段と、
上記処理ガスを真空室外に排気する排気手段と、
上記真空処理室内の上部に設置された高周波を印加できる平板アンテナと、
該被処理試料を設置する試料台とを有し、
該平板アンテナは、
上記高周波と上記処理ガスから形成されるプラズマに対抗して配置されるシリコン板と該シリコン板上にはり合わされたアルミ板と、
前記シリコン板内部に設けられた前記プラズマの電位を測定する手段を備えることを特徴とするドライエッチング装置。Means for introducing at least one processing gas into the vacuum processing chamber,
Exhaust means for exhausting the processing gas outside the vacuum chamber;
A flat plate antenna that can be applied with a high frequency installed in the upper part of the vacuum processing chamber,
Having a sample stage on which the sample to be processed is installed,
The flat antenna,
An aluminum plate bonded to the silicon plate and the silicon plate disposed against the plasma formed from the high frequency and the processing gas,
A dry etching apparatus comprising means for measuring a potential of the plasma provided inside the silicon plate .

真空処理室内に少なくとも1種の処理ガスを導入する手段と、
上記処理ガスを真空室外に排気する排気装置と、
上記真空処理室上部に第１の高周波を印加する平板アンテナと、
上記高周波上記真空処理室内に被処理基板を設置する処理台と、
第２の高周波を上記処理台に印加する手段を有するドライエッチング装置において、
上記平板アンテナは、
上記高周波と上記処理ガスから形成されるプラズマに対抗して配置されるシリコン板と、
該シリコン板上にはり合わされたアルミ板と、
前記シリコン板内部に設けられた前記プラズマの電位を測定する手段とを有し、
上記処理台内部に上記第２の高周波を印加する少なくとも2個以上の互いに電気的に絶縁された電極を有し、上記処理台内の電極に異なる高周波パワーを印加する手段を有することを特徴とするドライエッチング装置。Means for introducing at least one processing gas into the vacuum processing chamber,
An exhaust device for exhausting the processing gas outside the vacuum chamber;
A flat plate antenna for applying a first high frequency to the upper part of the vacuum processing chamber;
A processing table for setting the substrate to be processed in the high-frequency vacuum processing chamber,
In a dry etching apparatus having means for applying a second high frequency to the processing table,
The flat antenna is
A silicon plate arranged against the high frequency and the plasma formed from the processing gas,
An aluminum plate bonded to the silicon plate,
Means for measuring the potential of the plasma provided inside the silicon plate ,
At least two or more electrodes electrically insulated from each other for applying the second high frequency inside the processing table, and having means for applying different high frequency power to the electrodes in the processing table. Dry etching equipment.

請求項２において、
上記平板アンテナに印加する周波数が300MHz以上900MHz以下で、上記真空処理室外部に少なくとも2つのソレノイドコイルを有し、
上記平板アンテナの上記真空処理室側の材質が不純物を含むSiであり、
上記平板アンテナ内部に直流電位を測定する電極を有し、上記電極で測定した電位を基に、上記処理台内部に設置された電極に印加する上記第２の高周波のパワーを制御することを特徴とするドライエッチング装置。In claim 2,
The frequency applied to the flat antenna is 300 MHz or more and 900 MHz or less, and has at least two solenoid coils outside the vacuum processing chamber,
The material on the vacuum processing chamber side of the flat antenna is Si containing impurities,
An electrode for measuring a DC potential is provided inside the flat plate antenna, and the second high-frequency power applied to an electrode installed inside the processing table is controlled based on the potential measured at the electrode. Dry etching equipment.

請求項３において、
上記平板アンテナ内部の上記電極の電位が等しくなるように、上記処理台の少なくとも2つの電極に印加される上記第２の高周波のパワーを制御することを特徴とするドライエッチング装置。In claim 3,
A dry etching apparatus, wherein the second high frequency power applied to at least two electrodes of the processing table is controlled so that the potentials of the electrodes inside the flat plate antenna become equal.